交通仿真学习心得.doc

交 通 系 统 仿 真 技 术实验报告 班级：交通10-03 学号：311002030318 姓名:王文博 交通系统仿真技术学习学习交通系统仿真技术首先要了解几个词的概念。“仿真”是对真实事物的模仿，仿真一词另外一个常见的提法是“模拟”。根据“国际标准化组织（ISO）标准”中数据处理词汇部分名次解释，“模拟（Simulation）”与“仿真（Emulation）”两词的含义分别为：“模拟”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示他们的过程；“仿真”即用另一数据处理系统，主要是用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以至于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。“系统仿真”则是模仿现有系统或未来系统运行状态的一种技术手段。“系统”是指相互联系又相互作用着的对象之间的有机结合。这种比较概括的含义包含所有工程的及非工程的系统。机电、电气、水力、声学系统等都属于工程系统；社会、经济、交通、管理系统等都属于非工程系统。系统的分类方法有很多，其中最重要的一种分类方法就是按其状态变化是否连续分为连续系统和离散系统两种。系统仿真研究的目的在于对现有系统或未来系统的行为进行再现或预先把握。其实系统仿真并不是什么新概念，而是人们早已广泛应用的研究方法，通过在计算机上进行的仿真实验，可以得到被仿真的系统动态特征，估计和评价现有的系统或未来系统的优劣和所采用策略或方案的真确性，从而将系统仿真的概念赋予了新的内容，使之成为辅助决策的重要手段之一。因此，系统仿真的概念可以表述为：所谓系统仿真，示意控制论、相似原理和计算机技术为基础，借助系统模型对现有系统或未来系统进行试验研究的一门综合性新兴技术。利用系统仿真技术，研究系统的运行状态及其随时间变化的过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断现有系统或未来系统的真实参数和真是性能，这个过程称为系统仿真过程。系统仿真是近半个世纪以来发展起来的一门新兴技术学科，他与各门技术学科、管理学科、经济学科以致社会学科都有着紧密的联系，这正是系统仿真得到日益广泛应用的原因。它在航天、航空、军事、科研、工业生产、环境保护、生态平衡、医学、交通工程、经济规划、商业经营、金融流通等各个方面都获得了成功的应用，取得了显著地经济效益。而我们所学的交通系统仿真是指用系统仿真技术来研究交通行为，它是一门对交通运动随时间和空间的变化进行跟踪描述的技术。从交通技术仿真所采用的技术手段以及所具有的本质特征来看，交通系统仿真是一门在数字计算机上进行交通实验的技术，它含有随即特性，可以是围观的，也可以是宏观的，并且涉及到描述交通运输系统在一定时期实时运动的数学模型。通过对交通系统的仿真研究，可以得到交通流状态变量随时间与空间的变化、分布规律及其与交通控制变量时间的关系。因此，交通系统仿真在道路运输系统及其各组成部分地分析和评价中发挥着重要作用。交通仿真模型与其他交通分析技术，如需求分析、通行能力分析、交通流模型、排队理论等结合在一起，可以对多种因素相互作用的交通设施或交通系统进行分析和评估。这些交通设施和交通系统可以是单个的信号灯控制或无信号控制的交叉口，也可以是居民区或城市中心区的密集道路网、线控或面控的交通信号系统、某条高速公路或高速公路网、双车道或多车道县(乡)公路系统等等。另外，交通系统仿真还可以用来分析和评价交通集散地，如停车场中转站、机场等的规划设计及运行状况。当然，交通系统仿真不仅限于道路运输系统，在其他运输系统中也得到了广泛的的应用，如公共交通系统、轨道交通系统、航空运输系统、水运系统、行人交通系统、传送带运输系统等。相对于其他交通分析技术，交通系统仿真技术具有许多优点，如：不需要真实系统的参与，因此具有经济方便的优点，特别适合用于对尚不从在的，如规划中的交通系统行为的研究。通过系统仿真，能清楚地了解到交通流中那些变量是重要的，以及它们是如何相互作用的。不仅能提供交通流参数的均值和方差，还能提供时间空间的序列值。系统动态模型的时间标尺可以与实际系统时间标尺不同，因此即可进行实时仿真，又可以进行欠时仿真或超时仿真。对于交通系统中的某些危险情况或灾难性后果，系统仿真是很有效的研究手段，如道路交通事故的仿真研究等。能重复提供同样的交通道路条件，从而可以对不同的规划设计方案进行公正的必选。能不断改变系统运行条件，从而可以预测道路交通系统在各中情况下的行为。能够随时间和空间改变交通需求，从而对道路交通拥堵做出预报。能够处理相互影响、相互作用的复杂的排队过程。当交通到达和离去方式不服从传统的数学分布时，可以用系统仿真来解决。当其他的交通分析技术不适用时，系统仿真往往能有效地解决问题。尽管交通系统仿真技术有许多优点，但它绝不是包治百病的灵药，也有许多缺陷和局限性，如：仿真模型需要大量的输入数据，对于某些实际问题，这些数据很难或根本无法获得。仿真模型需要验证、标定、进行有效性检验，如果忽视了这一点，仿真结果将会失实。建立仿真模型不仅需要大量的知识，如交通流理论、计算机程序设计、概率论、决策论、统计分析等等，而且需要对所研究的道路交通系统有充分的了解。一些仿真软件的使用者只懂得简单的套用其数据模型，而对于模型的限制条件和基本假设并不清楚，或将其视为“黑箱”，对其含义并不了解，这将极可能导致错误的结论。交通仿真的一个重要环节是建立被仿真系统的数学模型，可以说，仿真实验的成败取决于模型的质量。而对于我们所学的交通系统仿真技术这门课程，主要内容是要掌握VISSIM这款交通系统仿真软件，这里不对数学模型进行深入学习。交通系统仿真与一般的系统仿真方法相比，除具有许多相同特征外，在仿真对象、仿真建模、仿真编程、仿真实验和仿真结果等方面还有不少特殊之处。仿真对象交通系统仿真的对象是道路交通系统。由交通工程学的基本原理可以看出，道路交通系统是一个随机的、动态的、复杂的、开放的系统，涉及到人、车、路及环境等多方面。首先，交通的产生是由人们出行愿望决定的。其次，交通的运行时一个动态过程，无时无刻都在随着时间和空间的变化而变化，而且这种变化又是随机的。再有，影响道路交通状况的因素众多，这些因素之间的关系又十分复杂。最后，道路交通系统还受许多外部因素影响，如天气状况、环境条件、临时交通管制等，具有很强的开放性，并且系统的边界很难确定。仿真建模由于交通系统仿真的对象具有上述特征，使得构建仿真模型的工作变得十分困难。常用的仿真模型往往建立在大量严格的边界条件约束下，对系统进行线性或近似线性处理，因此对道路交通系统只能做符合条件而不是符合实际的描述，这显然是无法满足要求的。在这种情况下，采用微观的建模思想，以道路交通系统中相对独立的实体或行为作为建模对象，以道路交通系统中相对独立的实体或行为最为建模对象，来描述各实体的行为及相互作用可能更加合理可行。而交通系统仿真的实体可以是真实物体，如道路和车辆；也可以是意义明确的数据集合体，如交通规划等。实体对象分为静态和动态两类，静态对象如道路和交通规划等，在一次仿真运行开始后，对象参数不再发生变化；动态对象如汽车和控制信号，在系统中收到其他因素的影响和制约，随时发生变化。在不同的初试状态和随即的用户输入条件下，各实体模型相互制约和作用的集合构成系统行为。仿真编程由于交通系统仿真对象自身的复杂性，随着人们对仿真过程直观性要求的日益增长，通用编程语言将更多地用于交通系统仿真程序的开发。仿真实验交通系统仿真技术常常用来对不同的道路新建或改建方案进行评价和比选，这就要求仿真实验过程反复提供同样的交通条件和环境条件，检验方案在通等条件下的运行状况。另外，由于交通系统仿真对象具有很强的随机性，而利用仿真模型真确地描述这种随机性往往是十分困难的，为检验和预见系统在某些突发事件如交通事故、车辆故障等影响下的状态，在仿真实验过程中直接加入施加人工干预，例如用鼠标在显示器上直接将某辆车设为故障车，将会使研究工作变得十分简便。这就要求交通系统仿真程序应具有更加有好的人机交互界面。任何系统仿真研究的目的都是通过实验结果来推断被仿真的真实系统或假想系统的状态，而仿真模型的质量对于推断结论的正确与否起着决定性作用。由于交通系统自身的复杂性，使得仿真建模时的抽象或简化尺度很难把握，如果处理不当，则会造成建模的“失真”。这一问题通常有两种解决办法，其一是仿真实验开始前对模型进行标定；其二是仿真实验完成后对模型进行有效性检验，而后者尤其重要，也尤其困难。因此，对于仿真实验结果应采取审慎的态度对待，通常情况下，要根据所论问题的具体情况，与其他定性的活定量的分析方法结合，推断出被仿真的真实系统或未来系统的状态。交通系统仿真的对象是含有多种随机成分和各种逻辑关系的发杂的交通系统，因此，它本身就是一个复杂的系统工程。它包括问题分析、模型建立、数据采集、程序编程、仿真运行、输出结果处理等工程，必须按一定的程序和步骤进行。第一步：明确问题交通系统仿真的第一个步骤是对你要研究的问题进行详细的了解和描述，明确研究目的，划定系统的范围和边界，以便对各种交通分析技术的适应性做出判断。第二步：确定方针方法的适用性这一步工作的核心是确定在各种交通系统分析技术中，系统仿真对于所论问题是最适宜的方法。应该回答的问题有：如果不用仿真方法，所论问题如何解决？为什么仿真方法可以较好地解决所论的问题？是否有仿真研究所需求的足够的时间和物质支持？所论问题是否真的可以解决？第三步：问题的系统化一旦确定系统仿真对于所论问题是最好的解决方法，就要着手构造一个仿真模型的第一级流程图，其中包括输入、处理、输出三个组成部分。第四步：数据的收集和处理这一步的工作主要内容是根据输入和输出要求收集和处理所需的数据。为此，应当制定观测计划，确保满足最小样本量要求，以便模型进行标定和有效性检验。第五步：建立数学模型通常采用自上而下循序渐进的方法进行。第一级流程图出发，建立第二级流程图，再建立第三级流程图。第六步：参数估计模型中的参数有两种基本类型，即确定型和随机型。确定型参数可以是常数，也可以根据系统状态不同而不同。对于随机参数，除给出它的均值和方差为，还要指出其分布形式。第七步：模型评价这一步的首要任务是对所建模型的各种可能情况进行手工计算，其次，还要做出一些判断。第八步：编制程序一旦所建的模型被接受，便可着手编制计算机程序。第九步：模型确认模型确认包括三项内容，即模型校核、模型标定和有效性检验。第十步：实验设计所谓实验设计指的是制定一个详细的实验方案，通常包括如下内容：选择控制变量。确定每个控制变量的限制条件或边界条件。确定每个控制变量的步长。确定控制变量的层次结构，可考虑先改变初级控制变量，而保持次级变量为常数。如何通过仿真程序中的循环语句自动改变初级控制变量的取值。如何通过仿真中的搜索子程序自动确定最佳条件。第十一步：仿真结果分析这一步包括三项工作内容，即仿真运行、结果分析和形成文档。以上便为开发系统仿真程序的一般步骤，当然，这十一个步骤并不是一成不变的，要根据情况灵活掌握。 VISSIM 是一种微观、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，用以建模和分析各种交通条件下（车道设置、交通构成、交通信号、公交站点等），城市交通和公共交通的运行状况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具。VISSIM 由交通仿真器和信号状态产生器两部分组成，它们之间通过接口交换检测器数据和信号状态信息。VISSIM 既可以在线生成可视化的交通运行状况，也可以离线输出各种统计数据，如：行程时间、排队长度等。交通仿真器是一个微观交通仿真模型，它包括跟车模型和车道变换模型。信号状态产生器是一个信号控制软件，基于一个微小时间间隔（0.1 秒）从交通仿真器中提取检测器数据，用以确定下一仿真秒的信号状态。同时，将信号状态信息回传给交通仿真器。首先简要介绍一下VISSIM软件工具栏中几个常用工具：路段和连接器、车道功能标志（图形）、输入交通流量、静态路径（指定路网中的交通流向）、期望车速决策点（永久改变车辆速度）、信号灯公交站点、公交线路、数据采集点等。下面简单展示一般十字交叉口的设计过程图形编辑注：以下命令仅在路段和连接器模式激活时可用 在路段的起始位置点击鼠标右键，沿着交通流运行方向将其拖至终点位置，释放鼠标。 编辑路段数据。 双击路段弹出一个对话框可以对 编号： 路段的唯一编号（仅能在创建路段时编辑）。 名称：标识或注释。 车道数 路段类型：它控制了诸如路段颜色、驾驶行为等特征量。 路段长度：显示用鼠标绘出的长度。该值保持不变。 车道 与车道相关的所有参数： 车道宽度：定义路段上每条车道的宽度。 不同车道宽度：分别定义每条车道的宽度。 车道限制：针对选定的车辆类别关闭路段的一条或多条车道，实时禁行管理。车辆编辑依次选择：交通交通构成，定义输入交通流量的交通构成。可对列表进行新建、辑和删除。 车辆类型：数据是针对哪种车辆类型来定义的。 相对流量：相应车辆类型在输入交通流中所占的相对比例。交通构成定义完成后，VISSIM 将对所有的相对流量求和，计算出交通构成中的每种车辆类型在输入交通流中所占的绝对比例。因此，在输入数值时不必要严格在0.0 和 1.0 之间，但是也有可能是输入车流量而不是所占比例。 期望车速：车辆进入VISSIM 路网时的车速分布。车辆输入（交通流量）注：车辆输入模式 必须处于激活状态。 某个路段的车辆输入: 双击此路段 路网的所有车辆输入: 在VISSIM 路网外点击鼠标右键车辆输入数据分为两 个部分： 流量/构成部分 时间间隔部分 在此，定义时间间隔的阈值。至少要定义一个时间间隔，这样第一个和最后一个线路就不会被删除。时间间隔的默认值为0-99999 秒。改变列表，“流量/构成”部分的纵列布局也将改变 （如下所示）。定义新的时间间隔 在此部分内点击鼠标右键，从弹出的菜单中选择新建。列表末端将添加新栏。输入新的时间间隔阈值。该值必须与其它值不同，可小于最后时间间隔值。这样，已存在时间间隔在新输入时间处打断。路径 路径定义 选择路径起始的路段/连接器。 双击鼠标左键，选定路段的行驶路径决策起点（选中后显示为亮红色）。打开新建路径决策窗口。定义路径决策的属性。 选择路径终点的路段/连接器。 依照路径类型 从同一路径决策的起点（红线）定义更多的终点（多条路径），选择下一个目标路段，然后在下一个目标点的横截面（或停车场）位置点击鼠标右键。对每个从当前活动的决策横截面开始的附加路径都必须进行此操作。 要定义新的路径决策，在路网内双击鼠标，取消所有的路段，然后重复步骤-。 路径编辑 注：选择路径模式后：所有已定义的路径决策显示为暗红色， 所有已定义的路径决策终点相交部分显示为暗绿色 （而停车场地由蓝色框架包围）。 图形选择选择一个路径决策： 在路径决策所在的路段上，点击鼠标左键。 左键点击路径决策：选中的路径决策显示为淡红色。只有相应的终点相交部分（暗绿色）或停车场（实心蓝色）可见。 从选定的路径决策中选择路径起点： 在终点交叉部分所在的路段上鼠标左击。 鼠标左击终点交叉部分。选中的终点交叉部分显示为淡绿色。路径显示为黄色带。公交车站 路边站点（靠近人行道）：公交站点设置在选定路段的车道上。 港湾式站点（人群密集处）：公交站点设置在紧邻慢车道的一条特定路段上。 选择公交/轨道站点模式 。 选择需要设置公交站点的路段/连接器（港湾式站点只能设置在路段上，不能设在连接器上）。 在公交站起点（路段/连接器内）点击鼠标右键，沿着路段/连接器方向，将其拖动到目标位置，同时定义站点的长度，长度值显示于状态栏的中间部分。 释放鼠标，打开创建公交站点窗口。 定义站点属性（如下所示），点击确定。 公交路线 公交路线的定义分五步进行。要初始化程序，激活公交线路模式 。接下来要做的在状态栏中显示。要返回的话，在VISSIM 路网的外面鼠标左击。 选择需要设置公交线路起点的路段。 在选定路段内的任意位置点击鼠标右键，创建公交线路的起点（一条亮红色线出现在该路段的起始位置）。 选择需要设置公交线路终点的路段/连接器。 在选定路段内的目标位置点击鼠标右键，创建公交线路的终点（绿线）。如果在红线与点击位置之间有有效的连接，那么路段显示为黄色粗线并弹出公共汽车电车线路对话框。定义公交线路的数据并按OK 键确认。如果黄色粗线显示的路径与期望的不一致，稍后可以对它进行修改。如果没有出现黄色粗线，意味着公交线路起点与终点之间不存在连续